文章编号：1004-0609(2007)10-1685-05

稀土对泡沫锌铝合金组织和阻尼性能的影响

王海滨，梁淑华，肖  鹏，范志康

(西安理工大学 材料科学与工程学院， 西安 710048)

摘  要：利用负压渗流法制备出稀土泡沫锌铝合金，研究稀土La和Ce的添加量对泡沫锌铝合金组织和阻尼性能的影响。结果表明：在泡沫锌铝合金中加入Al-10％Ce或Al-10％La中间合金细化了组织，同时提高了泡沫锌铝合金的阻尼能力；稀土元素的添加量为0.3%时(质量分数)可获得最佳的变质效果和最高的阻尼能力；相对于未变质而言，阻尼能力提高了近3倍；稀土泡沫锌铝合金的阻尼机制与相界面的非弹性粘滞性流动有关，合金的相界面越多，阻尼性能就越好。

关键词：镧；铈；泡沫锌铝合金；阻尼性能

中图分类号：TG 146.2　　     文献标识码：A

Influence of rare earths on microstructure and

damping capacity of ZA alloy foam

WANG Hai-bin, LING Shu-hua, XIAO Peng, FAN Zhi-kang

(School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Abstract: Zn-22%Al foamed alloys with rare earth La or Ce additives were fabricated by the vacuum infiltration casting, the effects of La and Ce on the modification of microstructure and damping capacity of Zn-22%Al alloy foam were investigated. The results show that the addition of Al-10％Ce and Al-10％La master alloy into the Zn-22%Al alloy foam can refine microstructure and improve the damping capacity. The best modification effect and the highest damping capacity can be obtained by the addition of 0.3%RE. The damping mechanism of Zn-22%Al alloy foam is associated with the non-elastic viscous flow of interfaces, and the more the interfaces, the higher the damping capacity of Zn-22%Al alloy foam.

Key words: La; Ce; ZA alloy foam; damping capacity

多孔泡沫金属是一种新型的轻质材料^[1-2]，由于其特殊的多孔结构而具有许多独特的性能^[3-5]，如密度小、比表面大、能量吸收性好、换热散热能力高、吸声性好(通孔体)、电磁波吸收性好、阻焰、抗热震等，在消声、减震、催化载体、屏蔽防护、吸能缓冲等一些高技术领域具有广泛的应用前景^[6-8]。关于泡沫金属的研究目前在铝基、镍基金属方面研究的较多^[9-10]，而锌基材料具有较高的阻尼性能，在衰减噪音和减震方面具有广阔的应用潜力^[11]，且在泡沫锌铝合金中添加稀土未见报道。因此，为了提高泡沫锌铝合金的力学阻尼性能，本文作者采用负压渗流法制备出稀土泡沫锌铝合金，研究稀土元素的添加量对泡沫锌铝合金组织和阻尼性能的影响。

1  实验

考虑锌铝合金的阻尼性能，合金成分选择为Zn-22%Al，中间合金是Al-10％La和Al-10％Ce，稀土元素的加入量为合金质量的0.1％、0.3％、0.5％、0.7％。采用自制的负压渗流铸造法制备稀土泡沫锌铝合金，将粒径分别为0.5 mm和1.0 mm的NaCl颗粒放入模具，压制、预热后插入到稀土锌铝合金熔体中，合金液在负压下被吸入模具，凝固后稀土泡沫锌铝合金坯成型，去除NaCl颗粒得到稀土泡沫锌铝合金。制备出的稀土泡沫锌铝合金外观形貌如图1所示。

图1  泡沫锌铝合金外观形貌

Fig.1  External morphology of Zn-22%Al alloy foam

试样经1 000^#砂纸打磨后，用抛光布拌着MgO水浊液抛光，浸蚀剂为20ｇCrO₃+1.5ｇNa₂SO₄+100 mL H₂O溶液，浸蚀后立即用20% CrO₃水溶液清洗，然后在XJB-1型立式光学金相显微镜上观察合金的组织形貌。利用电火花线切割设备在泡沫金属试样上制备矩形阻尼试样，试样尺寸为60 mm×20 mm×2.5 mm。阻尼测试采用受迫振动法，受迫振动法是指当一个简谐力激振一个结构时，该结构以激振力的频率振动，并且很快响应达到动态平衡，即响应以等幅值振动出现。根据振动系统的幅频曲线来确定振动系统的内耗Q^-1，其关系式如下：

2  结果及讨论

2.1  微观组织

在渗流过程中，合金液在高温预热的食盐缝隙中凝固，由于食盐的导热性能差，散热速度慢，使得合金液的过冷度小，形核能力差、凝固速度低，初生相和共晶组织长大充分，导致泡沫Zn-22%Al的微观组织比铸态Zn-22%Al合金的微观组织粗大^[12-13]。图2(a)~(d)所示孔径为1 mm、稀土La添加量分别为0.1％、0.3％、0.5％、0.7％的泡沫锌铝合金微观组织。

图2  添加La的泡沫Zn-22%Al的微观组织

Fig.2  Microstructures of Zn-22%Al alloy foam with different La additions: (a) 0.1％La; (b) 0.3％La; (c) 0.5％La; (d) 0.7％La

由图可见，白色粗大的块为先析出来的富含铝的α相，黑色基体为富含锌的β相，其中弥散的点状颗粒为稀土的金属间化合物。随着La含量的增加，先析出的富含铝的α相逐渐细化，随着稀土添加量的继续增加，结晶时，非均质形核的核心也就越多，形成的晶粒也就越细小。

图3(a)~(d)所示为孔径为1 mm、稀土Ce添加量分别为0.1％、0.3％、0.5％、0.7％的泡沫锌铝合金微观组织。由图可见，白色粗大块同样为先析出的富含铝的α相，黑色基体为富含锌的β相，其中弥散的点状颗粒仍然是稀土的金属间化合物。随着铈含量的增加，先析出的富含铝的α相逐渐细化，晶粒也是越来越细小。

图3  添加Ce的泡沫Zn-22%Al的微观组织

Fig.3  Microstructures of Zn-22%Al alloy foam with different Ce additions: (a) 0.1％Ce; (b) 0.3％Ce; (c) 0.5％Ce; (d) 0.7％Ce

比较图2和图3可以看出，稀土的加入使得合金的流动性增大，散热速度变快，同时合金液的过冷度变大，凝固速度变快，初生的α相来不及长大，所以初生的α相比较细小，两种稀土元素都起到了细化晶粒的作用。在稀土添加量相同时，含Ce的稀土泡沫Zn-22%Al合金初生的α相比含La的稀土泡沫Zn-22%Al合金的要细小，但差别不大。

2.2  阻尼性能分析

表1所列为用内耗Q^-1表示的未变质处理和分别用不同含量La和Ce变质处理的孔隙率为70%的泡沫Zn-22%Al合金的阻尼性能。将测试结果做成内耗Q^-1随稀土含量变化的曲线，如图4所示。可见，未变质处理时，泡沫Zn-22%Al合金的阻尼能力为Q^-1=4.04×10^-3，随着稀土元素的加入，泡沫Zn-22%Al合金的阻尼能力增大，稀土La的加入量为0.3%时，阻尼能力达到最大值，而稀土Ce的加入量为0.3%时，阻尼能力也达到最大值，相对于未变质而言，阻尼能力提高了近3倍，再增加稀土添加量，阻尼能力均下降，且添加Ce后的阻尼能力略高于添加La的。

表1  稀土含量对阻尼内耗的影响

Table 1  Effect of contents of rare earths on damping capacity

图4  泡沫Zn-22%Al合金内耗随稀土元素添加量的变化

Fig.4  Changes of damping capacity of Zn-22%Al alloy foam with contents of rare earths

锌铝合金属于典型的复相型高阻尼合金^[14-16]，当受到外力作用后，较硬的锌相与较软的铝相的界面将发生非弹性的粘滞性流动，铝相要发生微塑性变形，吸收外来的能量，使得合金比较快的恢复到受力前的状态。稀土元素Ce、La的加入，作为变质剂，抑制晶粒的长大，细化了晶粒。晶粒越细，合金的相界面越多，两相界面的非弹性粘滞性流动就越容易，能量吸收就越多，所以阻尼性能就越好。但并不是稀土加入量越多越好，稀土元素在合金中以硬质相的金属间化合物^[17]存在，若含量过多，在晶界中就会阻碍两种界面的非弹性粘滞性流动，在晶粒中就会对位错起到钉扎作用，会使材料的阻尼能力的降低。

3  结论

1) 在泡沫锌铝合金中加入稀土元素La或Ce使组织明显得到细化，同时提高了泡沫锌铝合金的阻尼能力；当稀土元素的添加量为0.3%时(质量分数)有最佳的变质效果和最高的阻尼能力，相对于未变质而言，阻尼能力提高了近3倍。

2) 稀土泡沫锌铝合金的阻尼机制与相界面的非弹性粘滞性流动有关，合金的相界面越多，阻尼性能就越好。

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基金项目：教育部新世纪优秀人才计划资助项目(NCET-05-0873)

收稿日期：2007-01-29；修订日期：2007-06-19

通讯作者：王海滨，硕士；电话：029-82312895；E-mail: haibin5058@sina.com

(编辑 何学锋)